CN114826434A - 一种基于时间分集的光声异构物理场水下通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于时间分集的光声异构物理场水下通信方法，包括：在光场，通过能量利用效率较高的调制方式调制信息，将同一调制信号在不同时间段多次串行传输，将分集信号加载到声场；在声场，通过信息采集器采集信号，度量不同时间段的每条信道的信号质量，根据度量结果，通过单个或组合形式的合并技术获得分集增益，将不同时间段的重复信号进行合并，提取有效信息，再解调还原信息。本发明通过多重信号在光场分集‑声场合并的操作，有效地改善因光声信号不稳定造成通信性能变差的问题，提升了通信可靠性，同时兼具光击穿机制下光声异构物理场水下通信非接触式和通信距离远的优点。
Description
技术领域
本发明属于水下通信或光声通信学科领域，具体涉及一种基于时间分集的光声异构物理场水下通信方法。
背景技术
光声异构物理场通信是一种新型水下通信技术，这种技术把光场与声场结合在一起，形成了新的应用技术领域，在光场，将承载信息的光束聚焦到水下并激发声波；在声场，通过声波承载信息，水下接收端对声波处理并恢复信息。与传统水下通信方式相比，光声异构物理场水下通信方式的通信距离远，通信覆盖范围广，属于非接触式通信，设备干湿分离，易于维护，且该通信方式机动灵活，能应用于各种恶劣环境，可以很好地减轻水上水下通信的作业难度。
基于光声异构物理场的反应机制分为热膨胀，汽化，光击穿三类，相比于其他两类，光击穿机制具有更高的光-声转化效率和更远通信距离的优点，但该机制存在光声信号（声波）波动甚至消灭的情况，这是由于光声转化反应不彻底造成的，若要产生稳定性较好的光声信号，需对光声转化过程中的环境，设备等场外因素进行严格控制使反应彻底，但在真实的复杂水下场景中，这种方式实现的难度很大，这代表在实际的光声异构物理场通信应用中，光声信号的不稳定性会造成通信系统的性能急剧变差，这一特性限制了基于光击穿机制下光声异构物理场水下通信的深入研究。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种基于时间分集的光声异构物理场水下通信方法，这种方法可以有效地改善因光声信号不稳定造成通信性能变差的问题，提升通信可靠性，同时兼具光击穿机制下光声异构物理场水下通信非接触式和通信距离远的优点。
实现本发明目的的技术方案是：
一种基于时间分集的光声异构物理场水下通信方法，包括：
在光场，通过能量利用效率较高的调制方式调制信息，将同一调制信号在不同时间段多次串行传输，将分集信号加载到声场；
在声场，通过信息采集器采集信号，度量不同时间段的每条信道的信号质量，根据度量结果，通过单个或组合形式的合并技术获得分集增益，将不同时间段的重复信号进行合并，提取有效信息，再解调还原信息。
进一步地，在声场，在信息采集器采集信号过程中，可对光声信号进行预处理，将双极性信号变成单极性信号，达到去除信号中冗余数据目的。
进一步地，在光场，通信方法包括如下步骤：
1-1）输出信息比特流；
1-2）信息比特流经能量调制；
1-3）对调制信息比特流进行时间分集操作，同一调制信号在不同时间段等间隔多次串行传输；
1-4）将分集比特流加载到光源设备上，发“0”时没有光束，发“1”时打出光束，通过聚焦物体将光束会聚到水面，当会聚能量达到光击穿阈值，产生光声信号。
进一步地，在声场，通信方法包括如下步骤：
2-1）利用声探测器实时捕捉光声信号；
2-2）度量光声信号中每个重复码元的信噪比，通过单个或组合形式的合并方法进行重复码元的合并，提取有效信息；
2-3）对有效信息进行解调，还原信息比特流，完成光声异构物理场水下通信。
步骤2-1）中，对捕捉到的光声信号进行预处理，将双极性信号变成单极性信号，达到去除信号中冗余数据目的。
本发明采用的技术方案包括两部分，一是光场-时间分集，即在光场通过能量利用效率较高的调制方式调制信息，将同一调制信号在不同时间段多次串行传输，将分集信号加载到声场；二是声场-合并，在声场，对光声信号进行预处理，去除信号中冗余数据，通过信息采集器采集信号，度量不同时间段的每条信道的信号质量，即信噪比，占重比等，根据度量结果，通过合适的合并方法，单个或组合形式的合并方法，获得分集增益，将不同时间段的重复信号进行合并，提取有效信息，再解调还原信息，完成光声异构物理场水下通信。
本发明在光声异构物理场通信方法中引入时间分集技术，通过多重光声信号分集合并的操作来提升通信性能，以此来改善因光声信号不稳定造成通信性能变差的问题，提升了通信可靠性，是一种可行性较高的光声异构物理场通信方法。
本发明的技术特点和显著效果：
本发明提供了一种基于光击穿机制下简单可行，可靠性高的光声异构物理场水下通信方法，通过多重信号在光场分集-声场合并的操作，有效地改善因光声信号不稳定造成通信性能变差的问题，提升了通信可靠性，同时兼具光击穿机制下光声异构物理场水下通信非接触式和通信距离远的优点，可为构建实用化水上水下通信网络提供重要参考。
附图说明
图1为实施例中基于时间分集的光声异构物理场水下通信方法的流程示意图；
图2为实施例中光声信号接收与预处理的截图；
图3为实施例中一种组合形式的合并方法的示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明内容作进一步的阐述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
一种基于时间分集的光声异构物理场水下通信方法，包括：
在光场，通过能量利用效率较高的调制方式调制信息，本实施例采用PPM调制，将同一调制信号在不同时间段多次串行传输，将分集信号加载到声场；
在声场，对光声信号进行预处理，去除信号中冗余数据，利于后续处理，度量不同时间段的每条信道的信号质量如信噪比，占重比等，根据度量结果，通过单个或组合形式的合并技术获得分集增益，将不同时间段的重复信号进行合并，提取有效信息，再解调还原信息。
如图1所示，在光场，通信方法包括如下步骤：
（1-1）PC1输出信息比特流[1100]；
（1-2）信息比特流经能量调制，如M-PPM调制，M=4，[1100]调制后信息比特流为[0001,1000]，码元时隙宽度为T1，M表示调制阶数，T1表示单个调制码元的时间宽度；
（1-3）对调制信息比特流进行时间分集操作，同一调制信号在不同时间段等间隔多次串行传输，等间隔时间为T2，T2=T1；串行传输次数为N，N大于等于2，为整数；本实施例N=2，[0001,1000]时间分集后信息比特流为[0001，0001，1000，1000]；
（1-4）将分集比特流加载到激光器上，发“0”时没有激光束，发“1”时打出激光束，通过凸透镜将激光束会聚到水面，当会聚能量达到光击穿阈值，产生光声信号。
在声场，通信方法包括如下步骤：
（2-1）利用水听器实时捕捉光声信号如图2中通道1所示波形，对光声信号进行预处理，采用硬件或软件预处理，本实施例选择硬件预处理，硬件预处理通过包络检波电路实现，可将双极性信号变成单极性信号，去除信号中冗余数据，利于后续处理，如图2通道2所示波形；
（2-2）度量光声信号中每个重复码元的信噪比和整体重复码元的信噪比，有无光声信号并非简单的“1”“0”形式能表达，选择组合形式的合并方法，如图3所示，进行重复码元的合并，能较好的提取有效信息；图3所示的一种组合形式的合并方法，计算单个重复码元在整体重复码元中的信噪占重比，每个码元都存在一个信噪占重比，判断信噪占重比是否大于某个固定值，本例的固定值是3/4，如果为是，则执行选择式合并，输出信噪比最大的码元；如果为否，则执行等增益合并，N个码元叠加输出，N=2；
（2-3）对有效信息进行解调，还原信息比特流[1100]，传输到PC2上，完成光声异构物理场水下通信。
通过上述实施例，基于时间分集技术的光声异构物理场水下通信方法优势体现在：在步骤（1-4）中若光声转换反应不彻底导致光声信号消灭，在步骤（1-3）中未使用时间分集技术，则对应的该光声信号的“1”在后续步骤中绝对丢失，进而造成通信性能降低，因此在步骤（1-3）中引入时间分集技术，减小了“1”丢失的可能性；在步骤（2-2）中通过组合形式的合并技术来更好地提取有效信息，增大了还原“1”的可能性。
综上所述，通过时间分集技术提升了基于光击穿机制下光声异构物理场水下通信的可靠性，改善了通信性能。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的保护范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种基于时间分集的光声异构物理场水下通信方法，其特征在于，包括：
在光场，通过能量利用效率较高的调制方式调制信息，将同一调制信号在不同时间段多次串行传输，将分集信号加载到声场；
在声场，通过信息采集器采集信号，度量不同时间段的每条信道的信号质量，根据度量结果，通过单个或组合形式的合并技术获得分集增益，将不同时间段的重复信号进行合并，提取有效信息，再解调还原信息。
2.根据权利要求1所述的基于时间分集的光声异构物理场水下通信方法，其特征在于，在光场，通信方法包括如下步骤：
输出信息比特流；
信息比特流经能量调制；
1-3）对调制信息比特流进行时间分集操作，同一调制信号在不同时间段等间隔多次串行传输；
1-4）将分集比特流加载到光源设备上，发“0”时没有光束，发“1”时打出光束，通过聚焦物体将光束会聚到水面，当会聚能量达到光击穿阈值，产生光声信号。
3.根据权利要求1所述的基于时间分集的光声异构物理场水下通信方法，其特征在于，在声场，通信方法包括如下步骤：
2-1）利用声探测器实时捕捉光声信号；
2-2）度量光声信号中每个重复码元的信噪比，通过单个或组合形式的合并方法进行重复码元的合并，提取有效信息；
2-3）对有效信息进行解调，还原信息比特流，完成光声异构物理场水下通信。
4.根据权利要求3所述的基于时间分集的光声异构物理场水下通信方法，其特征在于，步骤2-1）中，对捕捉到的光声信号进行预处理，去除信号中的冗余数据。
5.根据权利要求1所述的基于时间分集的光声异构物理场水下通信方法，其特征在于，在声场，在信息采集器采集信号过程中，对光声信号进行预处理，去除信号中冗余数据。
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